于萌萌， 呂志鳳， 田開艷， 丁清華， 張元成

(山東寶力生物質能源股份有限公司， 山東 東營 257000)

目前，世界上85%的能源是通過不可再生的礦物資源獲得的，由于礦物資源的儲量有限以及人們環(huán)保意識的增強，促使人們開始尋找新的替代資源[1-4]。利用甜高粱秸稈加工非糧生物乙醇具有不與人爭糧、不與糧爭地、不與傳統(tǒng)行業(yè)爭利、不與其他國家爭資源的優(yōu)點，對于提升未來能源結構、確保能源安全、持續(xù)改善人類生存環(huán)境具有重要的戰(zhàn)略意義[5]。但是利用甜高粱秸稈生產乙醇會產生大量的酒糟，這些酒糟若儲存不當或未及時利用，易霉變變質，不僅浪費了寶貴的資源，還會嚴重污染周圍環(huán)境[6-7]。

目前，我國能源資源短缺，人均天然氣資源占有量遠遠低于世界人均資源量[8]。如果通過沼氣發(fā)酵技術將甜高粱秸稈生產生物乙醇產生的酒糟轉化成可再生清潔能源—沼氣，不但解決了大量酒糟無法處理的難題，而且生成的沼氣首先可直接用作戶用燃氣或沼氣發(fā)電，進一步提純后還可生產車用燃料或注入天然氣管網；除此以外，發(fā)酵完成后產生的沼渣還可生產有機肥料，具有環(huán)境污染治理、可再生能源和土地改良等多方面的作用。本文旨在以甜高粱秸稈產乙醇后生成的酒糟為原料，主要考察溫度、TS濃度,pH值以及接種物添加量等條件對其沼氣發(fā)酵的影響，從而實現酒糟的充分利用，為企業(yè)的相關生產提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗用酒糟為以甜高粱秸稈為原料固態(tài)發(fā)酵產乙醇后剩下的醪渣，取自山東寶力生物質能源股份有限公司；試驗用接種物為以玉米秸稈為原料正常產氣的沼氣罐中的沼液，取自山東寶力生物質能源股份有限公司；試驗用調節(jié)pH值的堿液為1 mol·L-1的NaOH溶液。各種原料性質如表1所示。

表1 原料的基本性質 (%)

1.2 試驗方法

采用橡皮塞封口的2000 mL的錐形瓶作為沼氣發(fā)酵裝置，1500 mL集氣瓶和2500 mL燒杯為集氣裝置。具體的裝置如圖所示：

圖1 沼氣發(fā)酵裝置

1.2.1 研究溫度對酒糟沼氣發(fā)酵影響的試驗方法

在3個2000 mL錐形瓶中，都分別加入299 g酒糟以及312 mL接種物，補加自來水至1500 mL處，攪拌均勻，即酒糟的TS質量占發(fā)酵液質量的百分比為3.3%，接種物的TS質量占發(fā)酵液質量的百分比為1.5%，并在發(fā)酵前用1 mol·L-1的NaOH溶液將發(fā)酵液pH值調節(jié)到8.5左右，將3個發(fā)酵瓶分別放在常溫25℃，中溫38℃，高溫55℃下的搖床內進行沼氣發(fā)酵對比實驗，每組實驗均做3組平行試驗，并用只加接種物與自來水的發(fā)酵液做空白實驗。

1.2.2 研究酒糟TS濃度對其沼氣發(fā)酵影響的試驗方法

在6個2000 mL錐形瓶中，分別加入227 g，272 g，299 g，317 g，363 g，453 g酒糟，然后都分別加入312 mL接種物，補加自來水至1500 mL處，即酒糟的TS質量占發(fā)酵液質量的百分比分別為2.5%，3.0%，3.3%，3.5%，4.0%，5.0%，接種物的TS質量占發(fā)酵液質量的百分比為1.5%，并在發(fā)酵前用1 mol·L-1的NaOH溶液將每個發(fā)酵瓶中的發(fā)酵液pH值調節(jié)到8.5左右，將發(fā)酵瓶放在高溫55℃下的搖床中進行沼氣發(fā)酵對比實驗，每組實驗均做3組平行試驗，并用只加接種物與自來水的發(fā)酵液做空白實驗。

1.2.3 研究接種量對酒糟沼氣發(fā)酵影響的試驗方法

在5個2000 mL錐形瓶中，分別加入104 mL，208 mL，312 mL，416 mL，520 mL接種物，然后都分別加入299 g酒糟，補加自來水至1500 mL處，即接種物的TS質量占發(fā)酵液質量的百分比分別為0.5%，1.0%，1.5%，2.0%，2.5%，酒糟的TS質量占發(fā)酵液質量的百分比為3.3%，并在發(fā)酵前用1 mol·L-1的NaOH溶液將每個錐形瓶中的發(fā)酵液pH值調節(jié)到8.5左右，將發(fā)酵瓶放在高溫55℃下的搖床中進行沼氣發(fā)酵對比實驗，每組實驗均做3組平行試驗，并用只加接種物與自來水的發(fā)酵液做空白實驗。

1.2.4 研究pH值對酒糟沼氣發(fā)酵影響的試驗方法

在2個2000 mL錐形瓶中，都加入299 g酒糟以及312 mL接種物，補加自來水至1500 mL處，即酒糟的TS質量占發(fā)酵液質量的百分比為3.3%，接種物的TS質量占發(fā)酵液質量的百分比為1.5%，一個在發(fā)酵前用1 mol·L-1的NaOH溶液將發(fā)酵液pH值調節(jié)到8.5左右，另一個不對發(fā)酵液的pH值進行調節(jié)，都放在高溫55℃下的搖床中進行沼氣發(fā)酵對比實驗，每組實驗均做3組平行試驗，并用只加接種物與自來水的發(fā)酵液做空白實驗。

1.3 測定方法

日產氣量與累計產氣量通過排水集氣法并扣除空白試驗數據之后得到；每日的氣體成分通過氣相色譜(GC1120)測量；干物質(TS)含量與揮發(fā)性固體(VS)含量采用烘干法測定；總碳含量采用重鉻酸鉀法測定；總氮含量采用凱氏定氮法進行測定；纖維素含量采用范式纖維素方法進行測定；產氣周期以達到累計產氣量95%的天數計算；pH值用精密pH酸度計進行測定。

2 結果與討論

2.1 溫度對酒糟沼氣發(fā)酵的影響

圖2和圖3分別為3種溫度下酒糟的日產氣量圖與累計產氣量圖。由試驗結果可知，在3種溫度下酒糟均在發(fā)酵第1天就進入產氣階段，這可能是由于酒糟在發(fā)酵產乙醇的過程中，已經經歷了初步發(fā)酵過程，在這個過程中酒糟的纖維素、半纖維素以及木質素之間的包裹作用得到初步分解，殘留較多的糖類、酸類、醇類等易降解成分和小分子物質，并且酒糟的C/N為24，處在最佳產氣C/N的范圍內[9]。在高溫下，酒糟產氣在第9天達到最大峰值為3710 mL·d-1，產氣周期為32天；在中溫下，酒糟產氣在第19天達到最大峰值為1760 mL·d-1，產氣周期為39天；在常溫下，酒糟產氣在第26天達到最大峰值為1300 mL·d-1，產氣周期為42天。由此可見，酒糟的產氣峰值出現時間以及產氣周期隨著溫度的升高而縮短。這是由于高溫能夠促進木質纖維素的降解，所以導致酒糟厭氧分解和發(fā)酵速度快[10-13]。由日產氣量圖可知，隨著發(fā)酵時間的推移，在3種發(fā)酵溫度下日產氣量均出現多個小高峰，這是由于酒糟中含有乙醇、氨基酸、蛋白質等成分，而這些成分在發(fā)酵過程中水解、酸化和產氣的時間不同，且具有階段性，故出現較多個產氣高峰[14]。

圖2 不同溫度下酒糟的日產氣量圖

圖3 不同溫度下酒糟的累計產氣量圖

由累計產氣量數據可知，在高溫下，酒糟產氣的累計產氣量為25200 mL，原料產氣率高達509 mL·g-1TS；在中溫下，酒糟產氣的累計產氣量為21400 mL，原料產氣率為432 mL·g-1TS；在常溫下，酒糟產氣的累計產氣量為19160 mL，原料產氣率為387 mL·g-1TS。由此可見，隨著溫度的升高，酒糟的累計產氣量以及原料產氣率都增加。這是由于溫度越高，纖維素降解越充分，微生物可利用的原料就會越多，沼氣產量就越多[15]。所以實驗確定酒糟產氣的最佳溫度為高溫55℃。實驗之所以選擇在高溫條件下對酒糟進行沼氣發(fā)酵實驗，是由于酒糟前期固態(tài)發(fā)酵產乙醇時在蒸餾后溫度較高，帶有一定的熱量，如果酒糟從蒸餾塔出來后直接進行沼氣發(fā)酵，就可以利用這部分熱量從而節(jié)省能耗。

2.2 酒糟TS濃度對其沼氣發(fā)酵的影響

圖4和圖5分別為不同酒糟TS濃度下的日產氣量圖以及累計產氣量圖。由結果可知，酒糟TS濃度從2.5%到3.3%時，發(fā)酵液均在發(fā)酵第1天就進入產氣階段，當酒糟TS濃度在2.5%時，發(fā)酵液產氣速率在第13天達到最大峰值為1300 mL·d-1，累計產氣量為16750 mL，原料產氣率為447 mL·g-1TS；當酒糟TS濃度在3.0%時，發(fā)酵液產氣速率在第11天達到最大峰值為1900 mL·d-1，累計產氣量為19940 mL，原料產氣率為443 mL·g-1TS；當酒糟TS濃度在3.3%時，發(fā)酵液產氣速率在第9天達到最大峰值為3710 mL·d-1，累計產氣量為25200 mL，原料產氣率為509 mL·g-1TS。由此可見，當酒糟TS濃度從2.5%到3.3%時，隨著TS濃度的增加，酒糟的產氣速率峰值出現時間稍微縮短，產氣速率峰值、累計產氣量以及原料產氣率逐漸增加。這是由于當酒糟TS濃度過低時，單位容積內含有的有機物的量就較少，產氣量較少，所以在一定范圍內，隨著酒糟TS濃度的升高，累計產氣量等會增加[16]。

酒糟TS濃度從3.3%到5%時，發(fā)酵液進入產氣階段的時間越來越長，當酒糟TS濃度為3.5%時，發(fā)酵液產氣在第9天達到最大峰值為3600 mL·d-1，累計產氣量為25430 mL，原料產氣率為484 mL·g-1TS；當酒糟TS濃度為4%時，發(fā)酵液產氣在第16天達到第1個最大峰值為1030 mL·d-1，累計產氣量為26810 mL，原料產氣率為447 mL·g-1TS；當酒糟TS濃度為5%時，發(fā)酵液產氣在第21天達到第1個最大峰值為1500 mL·d-1，累計產氣量為26640 mL，原料產氣率為355 mL·g-1TS。由此可見，當酒糟TS濃度高于3.3%時，隨著TS濃度的增加酒糟的產氣高峰出現時間逐漸增長，累計產氣量增加變得緩慢，原料產氣率逐漸降低。這是由于當酒糟TS濃度過高時，產酸速度超過產甲烷速度，容易引起有機酸的積累，抑制產甲烷菌的活性，從而影響產氣量[17]。

綜上所述，酒糟在高溫下沼氣發(fā)酵的最佳TS濃度定為3.3%，比秸稈等沼氣發(fā)酵的最佳TS濃度要低[16-18]。這可能是由于酒糟在前期發(fā)酵產乙醇時會有一部分酶、酵母等物質進入酒糟，增加了酒糟中易降解成分的含量，所以最終酒糟的相對有效TS含量較高[14]。

圖4 不同酒糟TS濃度下的日產氣量圖

圖5 不同酒糟TS濃度下的累計產氣量圖

2.3 接種量對酒糟沼氣發(fā)酵的影響

圖6和圖7分別為不同接種物添加量下酒糟的日產氣量圖、累計產氣量圖。由結果可知，當接種物添加量為0.5%時，酒糟產氣速率在第21天達到最大峰值為1010 mL·d-1，累計產氣量為20060 mL；當接種物添加量為1.0%時，酒糟產氣速率在第16天達到最大峰值為2070 mL·d-1，累計產氣量為22370 mL；當接種物添加量為1.5%時，酒糟產氣速率在第9天達到最大峰值為3710 mL·d-1，累計產氣量為25200 mL。由此可見，當接種物添加量從0.5%提高到1.5%時，隨著接種物添加量的增加，酒糟的產氣速率峰值出現時間逐漸縮短，累計產氣量逐漸增加。這是由于當接種物的接種量比較少時，發(fā)酵瓶中的甲烷菌含量相對較少，需要一個產甲烷菌種的富集過程，所以隨著接種量的增加產氣速率峰值出現時間逐漸縮短；這時酒糟的累計產氣量主要由產甲烷菌的數量決定，所以隨著接種量的增加累計產氣量逐漸增加[16,19]。

當接種物添加量從1.5%提高到2.5%時，酒糟產氣速率都在第9天左右達到最大峰值，分別為3710 mL·d-1，3310 mL·d-1，3340 mL·d-1，累計產氣量分別為25200 mL，25430 mL，25570 mL。由此可見，當接種物添加量超過1.5%時，酒糟的產氣速率峰值出現時間不再提前，累計產氣量以及產氣峰值的增加也變得緩慢。這是由于，當接種物的接種量到達一定值時，發(fā)酵瓶中的甲烷菌含量相對足夠，不再需要產甲烷菌種的富集過程，所以產氣速率峰值出現的時間基本相同。此時，酒糟的累計產氣量主要由酒糟中的有機質總量決定而不是甲烷菌的數量決定，所以隨著接種量的增加，累計產氣量以及產氣峰值的增加都變得十分緩慢。

綜上所述，酒糟在高溫下沼氣發(fā)酵的最佳接種物添加量定為1.5%，此時，在節(jié)省接種物的條件下，酒糟的產氣速率峰值出現時間以及累計產氣量都達到最佳狀態(tài)。試驗之所以選擇新鮮沼液作為接種物，而不選擇豬糞、牛糞等作為接種物是由于試驗采取的沼液是以玉米秸稈經過生物預處理后進行沼氣發(fā)酵得到的，化學污染成分及重金屬含量低，在實際生產中會對后續(xù)的污水處理環(huán)節(jié)有利。

2.4 pH值對酒糟沼氣發(fā)酵的影響

圖8和 圖9分別為兩組對比試驗下酒糟的日產氣量圖、累計產氣量圖。由結果可知，如果不對發(fā)酵液的pH值進行調節(jié)，發(fā)酵液的pH值在發(fā)酵第3天就由第1天的7.02迅速降到4.5左右，一直到發(fā)酵的第15天pH值都維持在4.5左右，在這一階段對應的日產量平均值只為200 mL左右，其產氣速率在第16天才達到最大峰值為1220 mL·d-1，累計產氣量為24930 mL，產氣周期為51天。這是由于在發(fā)酵產乙醇時，酒糟經歷了初步發(fā)酵過程，所以酒糟在沼氣發(fā)酵初期，快速水解，產生大量的有機酸，同時產生大量的可溶性有機物，不產甲烷菌利用其產生的大量有機酸，同時產生的CO2也部分溶于水，使發(fā)酵系統(tǒng)的pH值下降產生酸化現象[7]。

圖6 不同接種量下酒糟的日產氣量圖

圖7 不同接種量下酒糟的累計產氣量圖

圖8 兩種條件下酒糟的日產氣量圖

圖9 兩種條件下酒糟的累計產氣量圖

如果在酒糟發(fā)酵前用1 mol·L-1的NaOH溶液將發(fā)酵液pH值調節(jié)到8.5左右，由結果可知，發(fā)酵液迅速進入正常產氣階段，酸化階段只維持了3天左右，其產氣速率在第9天就達到最大峰值為3710 mL·d-1，累計產氣量為25200 mL，產氣周期為32天。這是由于當產酸菌將酒糟中的有機物轉化為有機酸后，在酒糟發(fā)酵前加入的堿性物質電離出的OH-就會中和一部分酸使發(fā)酵液快速進入產甲烷階段。

3 結論

(1)以酒糟為原料沼氣發(fā)酵省去了原料預處理過程，并且其中糖類、醇類、有機酸等易降解成分和小分子物質含量高，酒糟中碳氮比在25左右，是沼氣發(fā)酵的最佳碳氮比，不用加入尿素等含氮物質進行調節(jié)，不但降低了成本，而且發(fā)酵啟動速度快。

(2)酒糟從蒸餾塔出來之后具有一定的熱量，采用高溫沼氣發(fā)酵方式能夠充分利用酒糟的這部分熱量，節(jié)約能耗的同時提高了產沼氣量并縮短了產氣周期。

(3)酒糟中含有一部分酶、酵母等物質，這都增加了酒糟的有效發(fā)酵產氣成分，所以酒糟在高溫下沼氣發(fā)酵的最佳TS濃度為3.3%，比秸稈等沼氣發(fā)酵的最佳TS濃度要低。

(4)酒糟在高溫下沼氣發(fā)酵的最佳接種物的添加量為1.5%，此時，酒糟的產氣速率峰值出現時間以及累計產氣量都達到最佳狀態(tài)。

(5)在酒糟發(fā)酵前對發(fā)酵液的pH值進行調節(jié)可以使酒糟的酸化階段縮短，從而快速進入產甲烷階段。

(6)在高溫55℃，TS濃度3.3%，接種物添加量1.5%，并在發(fā)酵前對發(fā)酵液pH值進行調節(jié)的條件下，酒糟產氣速率在第9天達到最大峰值為3710 mL·d-1，產氣周期為32天，原料產氣率高達509 mL·g-1TS。